緊鄰運營高速高陡邊坡控制爆破措施及施工工藝研究

張文龍ZHANG Wen-long；程貴海CHENG Gui-hai；蘇宇SU Yu；周泰安ZHOU Tai-an；王爽WANG Shuang

（廣西大學資源環(huán)境與材料學院，南寧 530004）

1 工程概況

該工程在巴馬—憑祥公路大新經(jīng)龍州至憑祥段No5標段金塘樞紐互通區(qū)，邊坡位于龍州縣下凍鎮(zhèn)金塘互通，邊坡開挖樁號為HK0+400~HK0+521.8。互通區(qū)與崇水高速相連，交通條件較便利。

1.1 地形地貌

該區(qū)段屬于構造侵蝕、剝蝕中丘陵地貌（以巖溶地貌特征為主），山間盆地地形，地形起伏較大。

1.2 地層巖性

覆蓋層主要為紅黏土，厚度約1-1.2m，下伏基巖為中風化灰?guī)r。互通區(qū)域具有巖溶、危巖、堆積體等不良地質(zhì)條件，巖溶發(fā)育性強，整段路基巖溶裂隙發(fā)育較為嚴重、存在多處溶洞等溶蝕現(xiàn)象。

1.3 地質(zhì)構造

互通開挖區(qū)域存在斷層，傾角45°。邊坡傾角為45°、53°，與斷層傾角相近，該結構面可能會造成邊坡開挖后失穩(wěn)。

1.4 邊坡周邊環(huán)境

開挖山體緊鄰崇水高速路，與崇水高速路直線距離僅5m，山體較為陡峭，距施工區(qū)域350m處有民房。山體最大開挖高度98.3 m，臺階高度8 m，坡度45°，周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1周邊環(huán)境圖

2 施工難點及方法

2.1 施工難點

①施工區(qū)緊鄰崇水高速路，施工區(qū)邊坡陡峭，巖溶、裂隙發(fā)育，施工時高邊坡處巖石極易垮落，嚴重影響崇水高速路的運營，對高速路面及周邊相關設施造成嚴重損壞。

②施工工期緊張，施工時為保證施工進度，必須采用大規(guī)模爆破，增大了保護高速的難度，使爆破條件更為復雜，對爆破安全、爆破參數(shù)、布孔方式、起爆方式等方面的要求高。

③山體內(nèi)部溶洞較為發(fā)育，溶洞對爆破效果的影響較大，需要對溶洞處進行相關處理，增大了施工難度，復雜了施工工序，增加了施工作業(yè)時間，提高了爆破要求。

④山體較為陡峭，施工便道位置窄，大型機械設備難以上山，爆破后清渣工作難以開展，由于工期緊，無法重新建設施工便道，爆后清渣工作難度較大。

⑤山體內(nèi)部存在傾角為45°的斷層，斷層傾角與邊坡設計傾角相近，且距離邊坡較近，對邊坡成型及邊坡穩(wěn)定性影響較大。

2.2 爆破方法選取

根據(jù)施工難點進行綜合分析，具體爆破方法為：

①主體爆破區(qū)域采用深孔控制爆破作業(yè)[4]。為保護崇水高速公路，減少對崇水高速運營的影響，采用以松動爆破為主、機械開挖為輔的方法進行施工。

②邊坡處采用大孔徑預裂爆破的方式開挖。小孔徑預裂爆破鉆孔時間較長，且孔較深時無法保證鉆孔的角度[5]。考慮本工程工期緊，在保證施工安全的同時，盡量降低爆破對高邊坡的破壞，結合現(xiàn)場實際情況，高邊坡采用深孔大孔徑預裂爆破的方式開挖[6]。

③爆破順序采用從里向外的方式。即爆破順序依次為：預裂孔、輔助孔、主爆孔，可以有效的降低爆破時爆渣的拋擲距離，減少爆渣飛入高速路面，保護高速路。

④根據(jù)爆破順序，選擇合適的輔助孔參數(shù)，在保護邊坡的同時，使輔助孔爆破區(qū)域盡量粉碎，形成“軟弱面”，為主爆孔提供“自由面”。

⑤為保護高速路，減少拋擲物對高速的影響，減弱第一排主爆孔（靠近山體邊緣的一排炮孔）的藥量，適當增大抵抗線強度。

3 施工設計

3.1 爆破設計

根據(jù)施工難點及爆破方法選取，對爆破參數(shù)進行設計。本工程中高邊坡共9個臺階，邊坡傾斜角度不完全相同，設計參數(shù)有所區(qū)別，為方便計算，以邊坡坡率為1:1的臺階進行設計。

3.1.1 爆破參數(shù)設計

3.1.1.1 深孔控制爆破

邊坡為工整的平面，山體邊緣為不規(guī)則圓弧狀，主爆孔排數(shù)根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整。沿山體輪廓布置主爆孔，主爆孔參數(shù)根據(jù)深孔控制爆破設計。

主爆孔采用深孔控制爆破方式設計，具體參數(shù)如下：

①鉆孔采用豎直孔，則鉆孔角度α=90°。

②炮孔直徑：d=115mm。

③孔深與超深。

國內(nèi)深孔臺階爆破超深值一般為0.5～3.6m，根據(jù)巖石性質(zhì)、孔徑、孔深，超深取h=0.8m；邊坡高度H=8m，則孔深L=H+h=8.8m。

④底盤抵抗線。

按孔徑計算，W1=Kd，式中K為系數(shù)，取24～48[5]，則W1=2.76～5.52m，W1取3m。

由于開挖山體緊鄰高速公路，開挖主要以松動為主，為減弱爆破時巖石拋擲距離，將底盤抵抗線加大0.5～1.0m。即實際底盤抵抗線W1=3.5～4m。

⑤炮孔間排距。

孔距a=mW1，m為炮孔密集系數(shù)，取1.0～1.5。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，孔距a取4.5m。排距b=a/m，排距b取3.6m。

⑥填塞長度。

按底盤抵抗線計算公式為：L1=（0.7～1.0）W1；按孔徑計算公式為：L1=（20～30）d。則按底盤抵抗線計算公式得出填塞長度為：2.45～4.0m；按孔徑計算公式得出填塞長度為：2.3～3.45。根據(jù)設計情況，堵塞長度取3.0m。

⑦單位炸藥消耗量。

根據(jù)以往經(jīng)驗，考慮到巖石為中風化灰?guī)r，堅固性系數(shù)較小，且開挖山體緊鄰高速路，為保護高速路，應選取較小的單耗。但山體內(nèi)部含有溶洞、斷層等不穩(wěn)定因素，在保證爆破效果的情況下，會使單耗增加。根據(jù)以往經(jīng)驗及試爆效果，選取單耗q=0.32kg/m3。

⑧每孔裝藥量。

因第一排與后排孔的參數(shù)不同，第一排與后排的單孔藥量應使用不同的公式計算：

第一排：Q1=qaW1H；

后排：Q后=kqabH。

式中，k為考慮受前排炮孔礦巖阻力作用的增加系數(shù)，取k=1.1～1.2。為保護高速路，需降低第一排炮孔藥量，計算時W1取3m，經(jīng)計算，Q1=35kg，Q后=45.6～49.8kg，取Q后=49kg。主爆孔主要參數(shù)匯總表見表1所示。

表1主爆孔主要參數(shù)匯總表

3.1.1.2 預裂爆破

邊坡面采用預裂爆破開挖，預裂孔沿邊坡布置，在預裂孔與主爆孔之間布置緩沖孔。

①預裂孔。

預裂孔炮孔沿開挖邊界布置，傾角與邊坡傾角相同，預裂孔孔低應在同一水平標高。預裂爆破時，預裂孔應超出爆區(qū)范圍，向兩邊延伸L延=5~10m。

1）孔徑d1=90mm。

2）孔深與超深。

炮孔超深hy=0.5~1.5m。根據(jù)現(xiàn)場巖石情況，取hy為0.5m。炮孔深度Ly=（H+h）y/sinα，α為鉆孔傾角（45°）。則炮孔深度Ly=12.0m。

3）孔距。

參考瑞典蘭格弗斯[7]給出的預裂孔間距計算公式：ay=（8～12）d（d＞60mm）；ay=（9～14）d（d≤60mm），孔間距ay=（8～12）d=72～108cm，根據(jù)以往經(jīng)驗，孔間距取0.8m。

4）裝藥線密度。

對預裂爆破[7～9]：q線=Kda1/2。式中K為巖石系數(shù)，中等強度巖石取0.4～0.5。裝藥線密度q線=0.32～0.40kg/m，取q線=0.32kg/m。

表2預裂孔底部加強裝藥段藥量增加表

預裂孔底部要加強藥量，頂部減弱藥量。根據(jù)表2，經(jīng)計算，加強段裝藥線密度為1.5kg/m，加強段長度為1.5m；根據(jù)現(xiàn)場情況，減弱段長度取2m，減弱段裝藥線密度為0.16kg/m。

5）不耦合系數(shù)。

增大不耦合系數(shù)，可以降低作用與孔壁上的最大切向應力，作用于巖石是的爆炸應力波越小，可以有效的降低爆破產(chǎn)生的粉碎區(qū)。但過大的不耦合系數(shù)會降低炸藥的利用率，影響爆破效果。預裂爆破開挖邊坡時，不耦合系數(shù)B一般為2～4[7]。根據(jù)現(xiàn)場炸藥型號，選取直徑32mm的炸藥，則B=90/32=2.81。

6）最小抵抗線。

預裂孔到緩沖孔的最短距離，參照經(jīng)驗公式[6]：Wy=1.5，ay=1.2m。

②緩沖孔。

緩沖孔緊鄰預裂孔布置，緩沖孔的存在可以降低爆破時主爆孔對預留邊坡的有害效應。

由于爆破順序為從內(nèi)向外，緩沖孔先與主爆孔起爆，為主爆孔爆破提供軟弱面，同時考慮到緩沖孔爆破時對邊坡的影響，綜合考慮，將緩沖孔藥量增大到原來的1.1～1.2倍。

設計布置兩排炮孔，緩沖孔孔網(wǎng)系數(shù)小于主炮孔，一般為主炮孔孔網(wǎng)參數(shù)的0.5～1倍，考慮該工程實際情況，取其為主爆孔孔網(wǎng)參數(shù)的0.8倍。即a緩=3.6m，b緩=2.9m，其余參數(shù)按照深孔控制爆破參數(shù)相關計算公式進行計算。

3.1.2 布孔形式

預裂孔沿邊坡開采線布置，主爆孔、緩沖孔采用矩形布孔，預裂孔邊界超出設計邊坡邊界5m。炮孔布置圖如圖2所示。

圖2炮孔布置圖

3.1.3 裝藥結構

①主爆孔和緩沖孔：采用連續(xù)裝藥結構，孔底部耦合裝藥，上部不耦合裝藥。

②預裂孔：使用不耦合裝藥結構，空氣間隔?？變?nèi)使用導爆索引爆炸藥，在地表將導爆索插入截好的炸藥內(nèi)，用竹條固定藥包，將其一起放入炮孔中。

預裂孔不耦合系數(shù)較大，裝完藥后先在炮孔中填柔性物體，再回填巖粉、炮泥等。為保證回填質(zhì)量，在回填時使用木棍將回填區(qū)搗實。預裂孔裝藥結構如圖3所示。

3.1.4 爆破順序

由于施工區(qū)域臨近高速路，為減少爆渣的拋擲距離，減少爆渣飛入高速路面，降低對崇水高速路運營的影響，爆破順序采用從里向外的方式，即爆破順序依次為：預裂孔、輔助孔、主爆孔。預裂孔爆破形成預裂縫，可以有效的降低爆炸應力波對邊坡的損壞；輔助孔起爆后，留下一條較為粉碎的巖石破碎區(qū)，為主爆孔起爆提供軟弱面，從而達到改變爆破方向，保護高速公路的目的。

圖3預裂孔裝藥結構圖

表3預裂爆破主要參數(shù)表

3.1.5 起爆網(wǎng)路

①主爆孔與緩沖孔。

主爆孔與緩沖孔使用數(shù)碼電子雷管起爆，基于奧瑞凱公司現(xiàn)場實驗得出的結論[10]，巖石易爆時，孔間延期時間17ms，排間延期時間42ms，爆破效果最好。根據(jù)現(xiàn)場巖石性質(zhì)，選用孔間延期17ms、排間延期42ms作為爆破網(wǎng)路的延期時間。

②預裂孔。

預裂孔孔內(nèi)采用導爆索起爆，在預裂孔孔口處使用數(shù)碼雷管引爆導爆索。預裂孔與主爆孔、緩沖孔同次分段起爆，根據(jù)以往經(jīng)驗，預裂孔先起爆120ms一次起爆預裂孔10個左右。

3.2 不良地質(zhì)條件處理措施

3.2.1 溶洞處理措施

經(jīng)前期地質(zhì)勘探資料顯示，該處地貌溶洞發(fā)育性強。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔施工發(fā)現(xiàn)，該處溶洞多為小溶洞，鉆孔時鉆桿穿過溶洞后可繼續(xù)鉆孔，對鉆孔、裝藥及爆破效果影響較小，可不作處理；根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，溶洞高度大于0.3m時，對裝藥有影響，藥包容易滑落至溶洞里，對爆破效果影響較大，需要進行處理。具體處理措施如下：

①溶洞高度小于0.3m時，對鉆孔、裝藥及爆破效果影響較小，可不做處理；

②溶洞高度在0.3~0.5m時，增大下方裝藥密度，炸藥裝至溶洞處時進行回填處理，搗實后繼續(xù)裝藥，使用兩發(fā)雷管同時起爆；

③溶洞高度大于0.5，回填量較大時，對溶洞上下方分別處理。溶洞下方加強裝藥并留0.5~1m高的回填層；將裝沙子的塑料瓶順著炮孔滑落至溶洞處，橫在炮孔與溶洞上部交界處，對炮孔進行回填處理，回填高度1m左右，在進行裝藥，可根據(jù)裝藥長度適當減小頂部填塞長度，上下段使用兩發(fā)雷管同時起爆。具體措施如圖4所示。

圖4溶洞處理措施圖

3.2.2 斷層處理措施

斷層傾角與邊坡傾角相近，邊坡開挖以后，若不能及時進行防護，爆破震動及地下水的作用下，邊坡易發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此需對邊坡進行錨固支護，提高邊坡的抗剪能力，增加邊坡穩(wěn)定性，斷層處裂縫較大時，可做注漿加固防水處理，進一步增加邊坡穩(wěn)定性。

4 安全防護措施

4.1 爆破震動

受保護建筑物距施工區(qū)域350m，采用薩道夫斯基經(jīng)驗公式計算爆破振動安全距離：

式中：R—爆破振動安全允許距離，m；v—保護對象允許振速；K、α—與地形、地質(zhì)等條件有關的系數(shù)和衰減系數(shù)。根據(jù)受保護對象，K取250，α取1.8，V取2.5cm/s根據(jù)上式，單段最大藥量為49kg時，爆破安全允許距離R=52.8m。在允許范圍之內(nèi)。

4.2 爆破飛石

根據(jù)瑞典德湯尼克基金會經(jīng)驗公式[4]：

經(jīng)上式計算，安全距離R=181m。深孔控制爆破安全距離應不小于200m，考慮高程的影響，最小允許安全距離取350m。

4.3 施工控制

4.3.1 鉆孔控制

對地表起伏處先進行平整，根據(jù)平整后的地面調(diào)整孔深。鉆孔時，先進行放線測量，確?？椎讟烁咂畈坏贸^5cm，確?？卓谖恢门c設計相同；傾斜孔鉆孔時，確保角度誤差不得超過1°。

4.3.2 堵塞控制

堵塞長度嚴格按照設計要求，使用巖粉或炮泥堵塞并進行搗實；對傾斜孔進行堵塞時，先塞入柔性紡織袋等物，在使用巖粉或炮泥填塞炮孔。

4.3.3 高速路防護

對靠近施工區(qū)一側(cè)高速路做防護措施，另一側(cè)高速路臨時雙向通行。將施工區(qū)沿高速路向兩端延伸50m作為防護范圍，范圍內(nèi)高速路路面上鋪設細沙料，并在高速路的中間綠化帶處搭設防護棚架，防止垮落的巖石滾到另一邊路面上。

5 結語

對該工程高邊坡進行控制爆破開挖，通過科學的計算爆破參數(shù)、精細化施工，在工期緊、緊鄰高速路、溶洞發(fā)育等情況下，安全、高效的完成了爆破任務。確保了邊坡的完整與穩(wěn)定，降低了對高速路運營的影響，對緊鄰高速路處高邊坡安全、高效的施工具有指導作用，可為類似工程提供參考。